Nano Res.│武汉理工大学许絮副教授、安琴友研究员：聚多巴胺辅助原位生长致密MOF层修饰锂硫电池隔膜- X-MOL资讯

当前位置： X-MOL首页 › 行业资讯 › Nano Res.│武汉理工大学许絮副教授、安琴友研究员：聚多巴胺辅助原位生长致密MOF层修饰锂硫电池隔膜

Nano Res.│武汉理工大学许絮副教授、安琴友研究员：聚多巴胺辅助原位生长致密MOF层修饰锂硫电池隔膜

作者：Nano Research 2022-08-08

本篇文章版权为麦立强教授课题组所有，未经授权禁止转载。

背景介绍

锂硫（Li-S）电池因其高达1675 mAh·g⁻¹的理论容量和2600 Wh·kg^-1的能量密度被认为是最有商业化潜力的新型电池。然而，由于可溶性多硫化物在充放电过程中引起的穿梭效应，以及锂离子沉积不均匀造成的锂枝晶生长等问题严重影响锂硫电池性能。隔膜作为防止电池正负极直接接触导致短路的关键部件，为锂离子提供传输通道的同时其数十纳米的孔径也为多硫化物的穿梭提供了便利。而且，由于隔膜对电解液的润湿性差，影响了电解液在孔隙中的分布，难以形成均匀连续的锂离子通道，阻碍了锂离子的均匀传输。因此，隔膜的改性对于抑制多硫化物穿梭，实现锂离子在锂硫电池中的均匀传输具有重要意义。

在锂硫电池隔膜改性领域，含不饱和金属离子的金属有机框架（MOF）材料可以提供化学吸附位点，自发吸附阴离子抑制多硫化物穿梭，同时极大地促进了锂离子在电解液中的有效传输。目前对隔膜改性的方法多是采用真空抽滤、涂布等传统工艺，制备的涂层较厚易开裂且为防止涂层脱落需要添加粘结剂。本文受天然贻贝材料的启发，采用聚多巴胺（PDA）对商业化聚丙烯（PP）隔膜进行预处理，聚多巴胺丰富的儿茶酚具有极强的粘附力，其醌基为ZIF-8提供了生长位点，使得ZIF-8颗粒能在聚多巴胺修饰的PP隔膜上原位生长，在PP隔膜表面形成400 nm厚的致密、超薄且稳定的修饰层，同时，对隔膜内部孔隙进行修饰，对隔膜整体形成梯度修饰，大大增加了ZIF-8对多硫化物的有效吸附路径与吸附效率。

成果简介

在这项工作中，在聚多巴胺的辅助下，在聚丙烯隔膜上原位制备了致密的ZIF-8改性层。由于PDA和ZIF-8的独特结构和协同作用，功能性隔膜不仅可以有效捕获多硫化物，还可以促进锂离子的传输。因此，基于功能性隔膜组装的电池表现出优异的循环稳定性。在2 C的电流密度下，循环500次后容量仍高达711 mAh·g⁻¹，容量衰减率低至0.013%每圈。对称电池在2 mA·cm⁻²（2 mAh·cm⁻²）的电流密度下循环1000小时，电镀/剥离过电位仅为20 mV。同时，改性隔膜比未改性隔膜表现出更高的锂离子迁移数（0.88）、更好的热稳定性和电解液润湿性。

图文导读

图1ZIF-8/PDA@PP 隔膜的合成和结构表征。(a)带有ZIF-8/PDA@PP隔膜的电池配置示意图和相应的电池组件；(b) ZIF-8/PDA的TEM图像；(c) ZIF-8/PDA@PP隔膜的SEM图像；(d-e) ZIF-8/PDA@PP 的横截面 SEM 图像，以及相应的(f)Zn元素的mapping和(g) Zn元素的线扫描。

ZIF-8在隔膜表面形成400 nm厚的致密修饰层，且对隔膜孔径形成有效修饰，整体层梯度分布。

图2 PP、PDA@PP和ZIF-8/PDA@PP隔膜的表征：(a) FT-IR 光谱；(b) XRD图谱；(c) XPS 测量扫描与不同隔膜的O 1s 的相应高分辨率扫描(d) PP；(e) PDA@PP；(f) ZIF-8/PDA@PP。

通过材料表征验证PDA与ZIF-8对PP隔膜的修饰，成功证明ZIF-8与PDA之间通过形成Zn-O键进行结合，使得ZIF-8与隔膜之间连接更为牢固。

图3 (a) PP隔膜与电解质的接触角测量；(b) PDA@PP隔膜；(c) ZIF-8/PDA@PP隔膜；(d) PP（上）和 ZIF-8/PDA@PP（下）隔膜在120°C的耐热性；(e-f) PP、PDA@PP、ZIF-8/PDA@PP隔膜在120°C热处理48 h前后的光学照片。

改性后的隔膜具有更好的电解液浸润性以及热稳定性。

图4 PP、PDA@PP和ZIF-8/PDA@PP隔膜的电化学性能。(a) PP、PDA@PP和ZIF-8/PDA@PP隔膜的倍率性能；(b) PP、PDA@PP 和 ZIF-8/PDA@PP 隔膜在0.5 C电流密度下100次循环的循环性能；(c) ZIF-8/PDA@PP隔膜在5.8 mg cm^-2的高面积硫负载下的循环性能；(d) ZIF-8/PDA@PP 隔膜在2 C电流密度下循环500次的循环稳定性；(e) 对称锂电池在 2 mA·cm⁻² (2 mAh·cm⁻²) 下的恒电流循环。

基于功能性隔膜组装的电池表现出优异的循环稳定性。在2 C的电流密度下循环500次后，容量仍高达711 mAh·g⁻¹，每次循环容量衰减率低至0.013%。对称电池在2 mA·cm⁻²（2 mAh·cm⁻²）的电流密度下循环1000小时，电镀/剥离过电位仅为20 mV。

作者简介

本文第一作者为武汉理工大学硕士生吴秀秀和博士生周铖，通讯作者为许絮副教授和安琴友研究员。

许絮，武汉理工大学副教授。目前研究方向为储能材料与器件。围绕这一方向，开展了纳米电极材料的可控合成、锂金属电池及锂硫电池关键材料结构性能调控、薄膜电池结构设计、微纳电化学器件设计组装及原位表征等基础性研究工作。目前已在Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nature Communications、Nano Letters、Energy Storage Materials等期刊发表论文70余篇，论文累计他引9000余次，H因子43，获授权国家发明专利9项。获湖北省自然科学一等奖，入选第六届中国科协“青年人才托举工程”、湖北省“楚天学者”计划。

安琴友研究员，武汉理工大学研究员。目前研究方向为纳米储能材料与器件，围绕这个方向，在Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.，Mater. Today等期刊上发表SCI收录论文156篇，论文引用9500余次，11篇论文被选为ESI高被引论文。申请专利33项，已授权23项。获湖北省自然科学一等奖（第二完成人），入选湖北省”楚天学者”计划及武汉理工大学“青年拔尖人才”。J. Magnesium Alloys青年编委，美国化学会会员，Nat. Commun., Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy等国际期刊的邀请审稿人。

课题组简介

武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。

课题组主页

http://mai.group.whut.edu.cn/chs/。

文章信息

X. Wu, C. Zhou, C. Dong, et al. Polydopamine-assisted in-situ formation of dense MOF layer on polyolefin separator for synergistic enhancement of lithium-sulfur battery. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4423-2.